Analyzing GW231109_235456 and understanding its potential implications for population studies, nuclear physics, and multi-messenger astronomy
本文通过分析亚阈值引力波候选事件 GW231109_235456，旨在得出中子星质量分布、状态方程以及千新星可探测性的约束，并预测下一代探测器能够显著改善类似事件的潮汐形变测量。
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在时空的深处，像中子星这样的大质量天体发生碰撞，会向宇宙发送涟漪，我们称之为引力波。这些波不仅仅是涟漪；它们是一种全新的聆听宇宙的方式，让我们能够“听到”那些因过于黑暗或过于遥远而无法通过传统望远镜观测到的事件。当两颗中子星撞击在一起时，它们会产生剧烈的能量和物质爆炸，通常随后会伴随一次被称为“千新星”（kilonova）的明亮闪光。通过研究碰撞的声音和随之而来的光芒，科学家可以了解物质本身的本质，特别是物质在恒星内部那极高的压力下是如何表现的。这一研究领域结合了对这些无形波的探测以及对光和其他信号的观测，被称为多信使天文学（multi-messenger astronomy）。它提供了一个独特的机会，让我们去理解统治宇宙的基本规律，从最微小的粒子到最大的结构。
在2023年末，LIGO-Virgo-KAGRA协作组——一个旨在聆听这些宇宙涟漪的全球探测器网络——捕捉到了一个名为GW231109的微弱信号。不同于过去确认过的那些响亮、清晰的信号，这个信号非常安静，处于科学家通常确信发现真实事件的阈值之下。它是一个候选信号，是一个可能发生在约1.65亿光年外的双中子星合并事件的潜在低语。由于该信号非常微弱，存在很大可能性它只是探测器自身的噪声。然而，它是一个真实宇宙事件的可能性实在太令人着迷，不容忽视。一个研究小组决定将这个微弱信号视为真实存在的信号进行处理，利用现有的最先进工具来分析其特性，看看它可能讲述怎样的宇宙故事。
研究人员首先将该信号运行在复杂的计算机模型中，这些模型模拟了两颗中子星在相互旋绕并碰撞时如何产生引力波。他们针对关于恒星质量和自旋的不同假设进行了测试，以观察哪种情景最契合。他们的分析表明，如果这确实是一次真实的合并，那么它涉及的两颗中子星的质量完全符合科学家此前提出的关于此类天体的模式：即一个双峰分布，其中大多数中子星要么比特定平均值稍轻，要么稍重。这一发现支持了这样一个观点：中子星的质量并非随机分布，而是遵循一种特定的、可预测的模式。团队还确定，这些恒星的自旋速度可能非常缓慢，这与我们所知的这些恒星形成和演化的过程相一致。
该领域最关键的问题之一是，恒星在撞击后会发生什么。它们是会反弹并形成一颗新的、更大的恒星，还是会立即坍缩成黑洞？基于信号的特性，研究人员发现最可能的结果是“瞬时坍缩”（prompt collapse）。这意味着合并后的天体质量过大，无法抵抗自身的引力，在不到一秒钟的时间内就坠入了黑洞。虽然存在极小的概率先形成一个临时且不稳定的恒星，但即便如此，它也只能维持几个毫秒才会坍缩。这种快速坍缩对于我们在天空中能看到什么具有重要意义。由于恒星坍缩得如此迅速，它喷射出的物质不会像缓慢坍缩那样多，因此由此产生的爆炸光芒也会暗得多。
随后，团队计算了这场爆炸（即千新星）在地球上的望远镜看来会是什么样子。他们发现，由于该事件距离较远，其光芒会比2017年观测到的那次著名的千新星要暗得多。虽然该信号对于一些较小的望远镜来说可能太暗而无法捕捉，但他们得出结论，像薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）和罗曼空间望远镜（Roman Space Telescope）这样强大的观测站，将具备探测到它并追踪其数日内逐渐消逝的光芒的灵敏度。这表明，如果我们拥有合适的工具去寻找其电磁对应物，即使是微弱的、低于阈值的信号也是有价值的。
最后，研究人员展望了引力波天文学的未来。他们模拟了如果下一代探测器（计划比目前的探测器灵敏得多）检测到类似事件时会发生什么。他们的模拟显示，借助这些未来的仪器，科学家可以极其精确地测量碰撞恒星的特性。具体而言，他们可以测量出中子星物质的“硬度”（stiffness），精度可达10%左右。这种水平的精度将使科学家能够最终确定致密核物质的状态方程（equation of state），这是一个物理学中长期存在的谜团，描述了物质在极端压力下的行为。虽然目前的这个信号本身过于微弱，无法提供这些决定性的答案，但这项研究证明了，即使是单个微弱的事件，也能为我们理解当下一代宇宙“监听站”上线时可能实现的目标提供指引。
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